5.17 Die Veresterung als reversible Reaktion 141 Die Estersynthese als unvollständige Reaktion Auf S. 138, 139 ist die Bildung von Essigsäurethylester beschrieben: Essig säu re, Ethanol und Schwefelsäure-Lösung werden für kurze Zeit erhitzt, dann lässt sich Essigsäureethylester als neu entstandener Stoff, neben Wasser, nachweisen. Die Gleichung für diese Esterbildung lautet: Erhitzt man diesen Ansatz einige Stunden unter Rückfluss, nimmt die Konzentration des Esters zu, bis sie schließlich einen konstanten Wert erreicht. Gleichzeitig nimmt die Konzentration der Essigsäure mit der Zeit ab, sie ist aber weiter nachzuweisen (V1) und erreicht auch einen konstanten Grenzwert (B3). Weiteres Erhitzen würde keine Änderungen der Konzentrationen mehr bewirken: Die Reaktion der Veresterung verläuft unvollständig (die Edukte reagieren nicht vollständig zu den Produkten). Die Esterhydrolyse als Umkehrung der Estersynthese Wird – umgekehrt zur Esterbildung – ein Gemisch aus Essigsäureethylester und Wasser erhitzt, nimmt die Konzentration an Ester mit der Zeit ab, während die Konzentration der Essigsäure gleichzeitig zunimmt und schließlich einen konstanten Grenzwert erreicht (B4). Bei dieser Esterspaltung durch Wasser entstehen als Produkte (wieder) Essigsäure und Ethanol. Dabei werden die Ester-Moleküle durch WasserMoleküle zerlegt, und die Reaktion (Spaltung) eines Esters mit Wasser wird als Hydrolyse bezeichnet. Die Gleichung für die Esterhydrolyse von Essigsäureethylester lautet: CH3COOC2H5(l) + H2O(l) CH3COOH(l) + C2H5OH(l) (2) Der Vergleich der Gleichung für die Estersynthese (1) mit der für die Esterhydrolyse (2) zeigt, dass die eine genau die Umkehrung der anderen darstellt. Die Veresterung und die Esterhydrolyse sind damit Reaktionen, die „in beide Richtungen“ verlaufen können. Solche Reaktionen bezeichnet man als umkehrbare oder als reversible1 Reaktionen. Beide Reaktionen werden durch starke Säuren katalysiert, und zwar im gleichen Maße. Chemisches Gleichgewicht Die beiden Reaktionen (1) und (2) führen zu einem Gemisch, in dem neben den Reaktionsprodukten auch nicht umgesetzte Ausgangsstoffe vorliegen. Es bildet sich ein chemisches Gleichgewicht aus (Gleichgewichtskonzept). Im Zustand des chemischen Gleichgewichts liegen die Reaktionsprodukte und Edukte in bestimmten, konstanten Konzentrationen vor. Um den Zustand eines chemischen Gleichgewichts zu symbolisieren, verwendet man zwei entgegen gerichtete Reaktionspfeile (Gleichgewichtspfeile). Damit werden die beiden Gegenreaktionen (1) und (2) in einer Glei chung zusammengefasst: CH3COOH(l) + C2H5OH(l) CH3COOC2H5(l) + H2O(l). c (Essigsäure) in mol/l 1 0 0,1 0,3 0,5 Zeit in Tagen 2 3 4 5 Veresterung B3 Zeitlicher Verlauf einer Estersynthese Schlüsselbegriffe unvollständige Reaktion, Hydrolyse, reversible Reaktion, chemisches Gleichgewicht c (Essigsäure) in mol/l 1 0 0,1 0,3 0,5 Zeit in Tagen 2 3 4 5 Esterhydrolyse B4 Zeitlicher Verlauf einer Esterhydrolyse 1 von reversus (lat.) = umgekehrt H2SO4H3C C O O H (l) + H O CH2 CH3(l) H3C C O O CH2 CH3 (l) + H2O(l) Essigsäureethylester (1) N u r zu P rü fz w e c k e n E ig e n tu m d e s C .C . B u c h n e r V e rl a g s